Kőzetkarakterizáció röntgen computer tomográf (CT) mérésekkel végzett hidrodinamikai vizsgálatokkal Földes Tamás Kaposvári Egyetem Diagnosztikai Intézet, 7400 Kaposvár, Guba S. u. 40.
[email protected]
Összefoglalás A Kaposvári Egyetem Diagnosztikai Intézetében 1999-től kezdődően végeznek rendszeresen élettelen anyagokon -kezdetben elsősorban kőzetmintákon- alkalmazott kutatási és ipari felhasználás céljából CT méréseket. Jelenleg ezek a vizsgálatok már több területre és iparágra terjednek ki. (Földtudományi-szénhidrogénipari, gyógyszeripari, faipari és környezetvédelmi vizsgálatok) A CT mérések időnként kiegészülnek microCT és MR mérésekkel is. Az Intézet, a MOL NyRt valamint a Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutató Intézetének szakemberei által közösen kifejlesztett berendezés segítségével lehetővé vált speciális hidrodinamikai vizsgálatok végzése kőzetmintákon. A CT-vel összekapcsolt berendezéssel max. 460 bar és 150 °C mellett több fázisú fluidum áramlás értékeléseket lehet végezni. A vizsgálatok célja a reális áramlási, telítettségi, és kőzetfizikai paraméterek meghatározása, és ezek vizualizációja az effektivitás vagy a kialakuló szennyeződések kirakódásának tisztázásához. A berendezés alkalmas szénhidrogén ipari, geotermális, hidrológiai, környezetvédelmi, építőipari és faipari vizsgálatokra egyaránt. Az eddig elvégzett különböző célú vizsgálatok alapján az alábbi kőzetfizikai és áramlási paraméterek határozhatók meg: -
3D porozitás eloszlás 3D telítettség eloszlás (akár több fázis egymás mellett, több kiszorítás után) 3D áramlási profil – fázis térképezés relatív permeabilitás értékelés effektivitás – kihozatal (pl: kőolaj) számítás a fluidum áramlások közben keletkező szennyeződések térképezése
A mérések fontos támogatást adnak a különböző bonyolult felépítésű kőzetek (pl metamorf és repedezett kőzetek) különböző strukturális (pl: repedés) tulajdonságainak pontos paraméterezéséhez. A mérések – szimulációk eredményei fontos és reális értékelési lehetőségeket biztosítanak a különböző rezervoárok működésének leírásához és a kútkörnyezeti modellek felépítéséhez és a kútkörnyezeti károsodási (formation damage) hatások tisztázásához.
Bevezetés A CT mérések földtani értelmezési alapjai A CT vizsgálatok segítségével a vizsgálati anyagokat az eredeti állapotukban (akár egy zárt tokban), roncsolás mentesen lehet megvizsgálni. A vizsgálatok során lehetőségünk van arra is, hogy dinamikus (időben változó) rendszereket is tanulmányozzunk és így a különböző paramétereiket meghatározzuk. A röntgen sugárzás gyengülését és az abszorpcióját valamint a Hounsfield értéket az alábbi összefüggések határozzák meg. A röntgen sugárzás gyengülése I=I0 x e-µµxd , ahol I I0 µ d
a kimenő intenzitás, a beeső rtg sugárzás intenzitása, a linearis sugárgyengítési együttható, az anyagra jellemző, az anyagvastagság
A röntgen sugárzás abszorpciója A ~ λ3Z4dD , ahol A λ Z d D
az abszorpció, a hullámhossz (a kisebb energiájú sugárzások jobban elnyelődnek), a rendszám, (a negyedik hatvánnyal arányos az abszorpció), a sűrűség, a rétegvastagság.
A Hounsfield érték és skála
HU =
HU K µ µvíz
K(µ − µ víz ) µ víz
a Hounsfield egység (Hounsfield Unit), konstans, értéke 1000, az adott képpont sugárgyengítési együtthatója, a víz sugárgyengítési együtthatója.
A skála értékeit a CT kifejlesztőjének tiszteletére nevezték el Hounsfield Unit-nak, amit HUnak jelölünk. A skála fix pontjai a víz értéke, ami 0, és a levegő értéke, ami -1000. A pozitív oldalon 3000-ig tart a skála számozása. A modern készülékeken lehetőség van a skála kiterjesztésére. A fentiek alapján a mérési volumenben a Hounsfield értéket elsősorban az anyagsűrűség (a komponensek sűrűsége és az üres terek térfogata) befolyásolja. 2
A különböző ásványok sűrűség és Hounsfield érték adatainak összehasonlítása
Sűrűség Density g/cm3 g/cm3
Sűrűség Density g/cm3 g/cm3
Fluorite Fluorit
3.0
Quartz Kvarc
2.5
Chlorite Klorit
3.0
Aragonite Aragonit Calcite Kalcit
Dolomite Dolomit
Kaolinite Kaolinit 2.5
Opál Graphite Grafit Opal
Salt Kősó 2.0
2.0 1500
2000
2500
3000
-500
3500
Hounsfield érték scale (H.U.) Hounsfield (H.U.)
0
500
1000
1500 2000
Hounsfield érték scale (H.U.) Hounsfield (H.U.) 1.sz. ábra
2500
Fontos tényező még az értékelésben a vizsgálandó tárgy vastagsága és a kalibkülönböző rációk mellett kialakuló mérési zaj mértéke is. A különböző ásványok Hounsfield értékeire megállapíthatjuk, hogy a Hounsfield érték és a valódi sűrűség értékek között közel lineáris kapcsolat van. (1.sz.
ábra) Mindezek alapján a CT mérési adatmátrixból „vizualizált” kép első közelítésben úgy kezelhető mint egy a szeletfelbontásának megfelelő sűrűségtérkép a kőzetről. Ezen a sűrűség képen jól kirajzolódnak a kőzet különböző sajátosságai (szemcsézettség, repedezettség, szedimentológiai jegyek, kőzettani változások stb.) A szeletek egymás utáni lejátszásával feltárul előttünk a kőzet anyag belsejének jellegzetességei. (2.sz. ábra) 3D CT – a fúrómag tengelyével párhuzamos és két egymásra merőleges a tengelyen áthaladó – H.U. térképek képei Homok
Aleurit
Agyag
Homok Aleurit Agyag
2.sz. ábra
3
Az egyes cellák Hounsfield értékeit a fentiek szerint két tényező befolyásolja. Az egyik a cellára eső ásványszemcse (ill. szemcsék) Hounsfield értéke ill. a cellára eső pórustérben a folyadék és/vagy gáz (levegő) Hounsfield értéke. Ha a kőzetet megfelelően előkészítettük kiürítettük, kivákuumoztuk és ezután folyadékkal telítjük, CT mérés közben a cellákra eső effektív (az adott folyadékkal vagy gázzal telíthető) szabad térfogat – azaz a cellákra eső effektív porozitás – meghatározható. Mivel a feltöltés során a cellák feltöltődése az időben követhető, azok belső szerkezetére (bonyolultságára) is következtetni tudunk. A feltöltés a kőzet pórusaiban ott maradt száraz anyag
lerakódások (fúró iszap ) kimosását is eredményezi. A CT méréssel ez a folyamat is nyomon követhető. (3.sz. ábra) A fúróis zap kirakódott anyagának kioldódása átmeneti értékcsökkenést okoz a H.U. értékekben (kisöprési állapot) a minta feltöltése közben
Ha a kőzet cellára eső effektív porozitás értéke ismert, akkor ismertté válik a cellára eső ásványszemcsére ill. szemcsékre jutó Hounsfield érték is. Ennek alapján ha a kőzet durva kristályos (meghaladja a mérési cella méretét) akkor számítható, ha ennél kisebb méretű akkor pedig becsülhető az ásványos összetétel is.
3 (d4) 1 (d4) 4 (d2(d2-d3)
2 (d4)
A relatív sűrűség változása az idő függvényében a különböző irányú repedésekben a feltöltés alatt
(H.U.) 2300 2280 2260 2240 2220 2200 2180 2160 2140 2120 2100 2080 2060 2040 2020 2000 1980 1960 1940 1920 1900 1880 1860 1840 1820 1800 1780 1760 1740 1720 1700
4 2
3 1 Kiindulási állapot
Feltöltött állapot
„Kisöprési” állapot
0
15
30
45
60
75
90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270
(sec.)
További „manipulációkat” végezhetünk különböző folyadékokkal, savakkal, gélekkel olyan módon, hogy az azonos pozíciókban elvégzett méréseinket többször megismételhetjük mellyel a kőzetünk összetételére, kőzetfizikai sajátságaira, a savazó és egyéb anyagok kölcsönhatásaira tudunk következtetni.
3.sz. ábra
A CT mérések típusai Alapmérések A CT alapmérés során lehetőségünk van arra , hogy a kőzetanyagot nagy felbontásban (.1 x .1 x 1 mm-es nagyságrendben) lemérjük és a kapott 3D-s Hounsfield érték eloszlás és kép alapján nagy részletességgel kiértékeljük. A mérés akkor is elvégezhető, ha a kőzetanyag laza széteső volta miatt „műanyag vagy alumínium védő tok”-ban van. Feltöltéses – felszívásos mérések Ezen mérési technológia során azonos pozíciójú megismételt alapméréseket végzünk a kivákuumozott mintán, felszívás közben és a telített mintán. Áramlásos mérések
4
Az áramlásos CT mérés során az előzetesen erre megfelelően előkészített mintán valamilyen feltöltő folyadékot (víz, olaj, iszap, sav stb.) vagy gázt áramoltatunk és közben CT mérést végzünk. A berendezéssel a nyomást, a hőmérsékletet és az átáramló mennyiséget is rögzíteni lehet a CT méréssel pedig az időben lezajló telítettséget lehet 3D-ben térképezni. Analóg speciális szimulációs mérések Ezek általában speciális célberendezéseket alkalmazó mérések melyek a fenti három mérés kombinációját alkalmazzák. A CT mérések alkalmazása során felmerülő leggyakoribb problémák -Mérési zaj – kalibrációk: alacsony mérési zajt eredményező kalibrációkat kell alkalmazni -Minta méret: a vizsgálandó anyagok átlagsűrűségétől függően különböző méretű anyagok mérése végezhető el -Minta geometria : A CT mérőrendszere hengerszimmetrikus, az éles sarkok, kiálló nagy sűrűségű élek hibákat eredményeznek a képben -Fémtartalom: A fémes csomók kisebb térfogatban is megváltoztatják a képmátrix H.U. értékeit és ez helytelen értékeléshez vezet -Idő management: Az áramlásos méréseknél – mivel nem folyamatos a CT mérés, pontos tervezést kell végezni ill. mérés közben egyéb kontroll méréseket kell végezni -Optimális SCAN szám: Előzetes tervezést kell végezni a méréseknél az optimális SCAN szám meghatározására. -Széria határok: Hosszú- pl 1 m-es méréseknél a vizsgálandó anyagok határai és a széria határok nem esnek egybe, e miatt az adott rész feldolgozása egyben nem végezhető el. Módszer Az áramlásos mérésekhez használt mérőberendezés ismertetése A berendezést a MOL Rt, a Kaposvári Egyetem Diagnosztikai Intézetének és a Miskolci Egyetem Alkalmazott Kémiai Kutatóintézetének műszerfejlesztési laboratóriumának szakemberei közösen fejlesztették ki 2004 év elejére. A berendezéshez egy újabb magtartót fejlesztettünk ki 2010-ben a repedezett kőzetminták vizsgálatára 2010-ben az EEA és Norvég Finanszírozási Mechanizmus társfinanszírozásával. A mérő berendezés fontosabb részei: A kiszorító berendezés A nagy teljesítményű komputer tomográf Számítógépes szoftver-hardver rendszer
5
A kiszorító berendezés központi egységei a CE-1, CE-2 és CE-3 jelű magtartók, amelyekben a vizsgált kőzetmagok helyezkednek el. Ezek anyaga speciális ill. olyan amely nem zavarja a CT mérés eredményét. A magtartó cellák a különböző méretű kőzetmagokhoz és különböző vizsgálati paraméterekhez (vákuum, alacsony nyomás , szobahőmérséklet, nagy nyomás, magas hőmérséklet) készültek.A CE-1 magtartó max. 1 m-es “magdarab” feltöltéses vizsgálataira (vacuum – 1 bar) , a CE-2 max 4”-os és 25 cm hosszú többfázisú áramlási vizsgálataira max. 10 bar-on és szoba hőmérsékleten, a CE-3 magtartó pedig max 10 cm hosszú és max. 1.5”-os átmérőjű magdarabon többfázisú áramlási vizsgálataira max. 460 baron és 150 °C hőmérsékleten. Az EEA és Norvég Finanszírozási Mechanizmus társfinanszírozásával. kifejlesztett CE-4 magtartó pedig max 25 cm hosszú és max. 4”-os átmérőjű magdarabon többfázisú áramlási vizsgálataira max. 460 bar-on és 150 °C hőmérsékleten alkalmas. A berendezéssel a kőzetmagokat gázzal és különböző folyadékokkal lehet telíteni és átnyomni oly módon, hogy közben az átáramoltatott mennyiség, nyomás és hőmérséklet mérve van. A gázos kísérleteket a gázpalack segítségével, a folyadékos vizsgálatokat a nagynyomású, programozható folyadékadagoló pumpákkal és az ezekhez kapcsolódó közvetítő tartályokkal lehet elvégezni. A vizsgálatokhoz szükséges méréstechnikai egységek (távadók) a mérési igényeknek megfelelően kerültek kiválasztásra. A berendezéssel többfázisú áramlási vizsgálatokat is lehet végezni (a magtartók használata nélkül) is. A kiszorító berendezéssel A CT mérés közben működő kiszorító - áramoltató berendezés összehangolt SOMATOM Emotion, 6 nagy teljesítményű nagy sebességű korszerű CT berendezés képes 0.6 sec-os ciklusidőre és egyidőben 6 szeletes mérésre. De relative nagy térfogatokat is rendkívül gyorsan lehet lemérni úgyn. spirál üzemmódban. Pl:40 szeletet 2.5 sec alatt. A gyorsaság mellé ezenkívül magas szintű képrekonstrukciós megoldások és stabil megbízható mérőrendszer társulnak. 2011-től Somaton Sensation 16 szeletes multislices még nagyobb teljesítményű CT-vel fogjuk végezni már a vizsgálatokat. 4.sz. ábra A kiszorító berendezéshez csatlakozik egy PC melyre az adatgyűjtő szoftvert a ME AKKI fejlesztette ki. Ez a felhasználó igényeinek megfelelő idő léptékben gyűjti a távadókról az adatokat (nyomás, átáramló mennyiségek, hőmérséklet), ezeket kiírja adatbázisba ill. megjeleníti grafikusan mérés közben. Ha a CT mér akkor a szkennelési időpontokban,- a képeknek megfelelően- szedi az adatokat oly módon, hogy a CT mérőrendszere egy impulzust küld a PC-re. A CT-nek saját szoftvere van amely 3D rekonstrukciós vizualizációs és egyszerű statisztikai és számítási eljárásokat is tartalmaz. (4.sz. ábra)
6
Mérési és értelmezési metodika ismertetése A mérések CT mérési és értelmezési metodikája a KEDOI-ban 1999-2003 között elvégzett alap és feltöltéses-szaturációs CT vizsgálati kiértékelésével (Bogner et al (2) és Földes et al (1 és 3)) valamint a MOL Rt-ben elvégzett számtalan „hagyományos” kiszorításos vizsgálatával (Kalocsai et al (4)) valamint a tenzides ill. biopolimeres laboratóriumi mérési tapasztalatával lett megalapozva. A szoftver rendszert a Geosoft Bt (Földes et al) fejlesztette ki. A mérések általában 1.25 mm-es szeletvastagság és a telítési és az áramlásmérésekre kikísérletezett mérési protokol mellett vannak elvégezve. A mérési zaj meghatározására az egyes telítési csomagokban külön zajmérés történik. Mivel a mérés fő célja általában telítettség időbeni és térbeli térképezése ezért a mintákon általában egy teljes térfogatú szekvenciális mérés is el van végezve. A mérési szeletek pozíciója minden szériában azonos. A Hounsfield eloszlás meghatározásához -a mérés befejezése után- a felhasznált folyadék minták is le vannak mérve CT-vel .
SZÉRIÁK
A feldolgozó program a különböző technikai számítások után (konvertálás) folyamatosan építi fel és számolja ki a kőzetfizikai (porozitás) valamint a különböző telítettségi modelleket a mag teljes térfoA mérés-kiszorítási művelet, a modell és a feldolgozó program relációja gatában és minden egyes elemi mérési Feltöltő folyadék CT sűrűség méréseiből készített eloszlások volumenben grid 4.széria Zajszűrés Száraz kőzetváz Vákuumozás pontonként. Ezen Visszaoldódás kezelése (szárazanyagtartalom) 5.széria kívül segéd progVizualizációs értékelésekhez 3D tér hengerfelület és síkfelület gridek készítése ramok vannak haszSw (t) 6.széria nálva a zajszűrés a 7.széria 8.széria szárazanyag tarta9.széria 10.széria Vizes elárasztás Víztelítettség-porozitás 11.széria lom (visszaoldódás) kezelésére valamint a különböző vízu12.széria So/Sw (t) 13.széria alizációs megjelení14.széria 15.széria Víz kiszorítás olajjal Olajtelítettség 1 16.széria tések 3D henger17.széria 18.széria felületek és a különOlaj Víz kiszorítás kiszorítás olajjal vízzel Olajtelítettség Olajtelítettség2 böző irányú síkmetszetek készítéséhez. 19.széria Sg/So/Sw (t) 20.széria (5.sz. ábra) A 21.széria 22.széria 23.széria mérések során kelet24.széria kezett (és feldolOlaj kiszorítás géllel Tenzides olajkiszorítás gozásra kerülő) 5.sz. ábra adatok mennyiségét jellemzi, hogy egy 9 db mintát tartalmazó tenzidkiszorításon mérési csomag során 31 746 SCAN –szelet készült szeletenként kb 180 000 H.U. adattal. Tenziddel
7
Eredmények Az alábbi táblázatban összefoglaltuk a különböző CT mérésekből származtatható értékelési eredményeket és a mérés típusok kapcsolatát. (6.sz. ábra) A CT mérésekkel (elsősorban fúrómag mintákon) elvégezhető értékelések és a mérés típusok kapcsolata
Analóg
Kiszorításos
Alap
ÉRTELMEZÉSEK, FELDOLGOZÁSOK
Feltöltéses
Mérés típus
Szerkezeti -geometriai sűrűség heterogenitás értelmezés, feldolgozás -a mintadarabok mechanikai sérülései (elméleti/tényleges magtérfogat ) -szerkezeti és/vagy rétegfelületek dőlés eloszlása mélység szerint (szög,irány) -repedések eloszlása vastagság, hossza, orientáció és fraktál dimenzió meghatározása -egyes alkotórészek geometriai értékelése (üregek, kavicsok, intraklasztok stb) -szemcseeloszlás vizsgálat -2D képfeldolgozások: köpenykép, a magtengelyével párhuzamos metszetek stb. -a fontosabb szerkezeti elemek 3D-s vizualizációja egyeztetett irány szerint Litológiai - sűrűség heterogenitás értelmezés, feldolgozás -a litológiai összetevők térfogatszázaléka a 3D-s H.U. kumulatív eloszlása alapján -ásványos összetétel becslés (felbontástól és kőzetanyagtól függ) -belső vertikális üledékfelhalmozódási ciklusok a H.U. értékek autokorrelációs elemzésével -horizontális heterogenitás vizsgálat (a magtengelyére merőleges szeletek anizotrópia ellipszise) -a fontosabb litológiai egységek sűrűség eloszlása -a fontosabb litológiai elemek 3D-s vizualizációja egyeztetett irány szerint Kőzetfizikai - sűrűség heterogenitás értelmezés, feldolgozás -a feltöltő folyadékra vonatkozó telítettség - CT porozitás átlag és 2D-3D-s eloszlások -felszívási profil (a telítettség változása az időben) egyeztetett felszíneken ill. alkatelemeken. -a felszívásra vonatkozó effektív térfogat ill. térfogatok egyeztetett felszíneken ill. alkatelemeken. -kiszorítási profil (a telítettség változása az időben - relatív permeabilitás méréshez) -a kiszorításra vonatkozó effektív térfogat ill. térfogatok egyeztetett felszíneken ill. alkatelemeken. (relatív permeabilitás méréshez) -kiszorítási fázis és fázistérfogat (relatív permeabilitás méréshez) -az effektív térfogat 3D vízualizációja -a magdarab fúróiszap tartalmának becslése -homokolás vizsgálat -stresszvizsgálatok Analóg feldolgozások Modellkísérletek CT alatt Integrált feldolgozások -a magdarabok beforgatása a CT magköpenyképek és a lyukfaltérképek korrelációja alapján -kompozitszelvények és integrált (közös) értelmezés a magon végzett egyéb vizsgálati eredmények és a karotázs szelvények alapján
6.sz. ábra
A fenti táblázat jól mutatja, hogy bonyolult értékeléseket lehet végezni a különböző mérés típusok kombinált alkalmazásával. A szerkezeti értékelésekben a CT mérések jelentős hozadéka, hogy az értelmezéseket a minta teljes (nem csak felszíni) térfogatában lehet elvégezni amely így pontosabb ill. megbízhatóbb és sokszor alapvetően más eredményt szolgáltat mint egy 3D felületen (borehole image vagy felszíni magfotó) eredmény. A mérés rendkívül érzékeny a sűrűség változásokra így különösen jól használható a repedezett (nyitott repedéseket is tartalmazó vagy üreges) kőzetek vizsgálatában és a különböző kőzetmechanikai vizsgálatokban generált törésrendszerek értékelésében.
8
A repedezett kőzetek vizsgálatában is kombinált (alap + feltöltéses esetleg kiszorításos – áramlásos méréseket kell alkalmazni, hogy az összes fontosabb paramétert meghatározzuk. Korlátot jelent a mérések felbontása amely maximálisan 100 micron-t nem haladja meg. Ezért egyes paramétereket Különböző repedés paraméter értékelések CT mérési adatokból (pl: repedésvastagság) az adott repedésre eső és a feltöltéses mérésekből számított telítettség-porozitás érték figyelembeFraktál modell vételével lehet számítani ill. becsülni. Egyes minták esetében érdemes kiegészítő méréseket végezni microCT-vel melynek felbontása eléri a micronos nagyságrendet de a Compressive pressure as – CT kép Repedés Nyomóterhelés CT image Generatedhálózat Fractures méréshez felhasza function of axial deformation tengely irányú deformáció nálható minták mérete kisebb. a
b
0
c
d
315
45
270
90
0
225
0.4
0.8
1.2
1.6
2
135
180
e
f
Lithology 1
Magyarországon még nem megoldott a kőzetmechanikai vizsgálatok (töréstesztek) alatti in situ non destruktív módszerekkel történő és a repedések kialakulását térképező és paraméterező módszerek alkalmazása. Egyik áthidaló lehetőség a minták -a törésvizsgálat előtti és utáni- CT adatainakképeinek összehasonlítása és érté7.sz. ábra kelése mely fontos információkat szolgáltathat az egyes kőzetekben kialakuló tipikus repedéshálózatok és ezek paramétereinek feltérképezésében. ( M Tóth, Vásárhelyi, Ván, Kiss , Földes et al (5)) (7.sz. ábra) Lithology 2
9
A töréshálózat modellezés célja a kőzetmag mérettartományban megjelenő tektonikai elemek parametrizálása és ezek felskálázása alapján a tároló kommunikáló törésrendszereinek kijelölése, a törésrendszerek hidraulikai paramétereinek becslése, mérése, majd kiterjesztése a tároló jellemző mérettartományára. A folyamat első lépése az egyedi törések, illetve a törésrendszerek szerkezeti és geometriai paramétereinek meghatározása, amely a hagyományos eljárások mellett képanalízisen és a fúrómagok CT felvételeinek elemzésén alapul. A törésgenerációk szerkezeti és geometriai paraméterei alapján megfelelő repedezettség szimulációs eljárással történik a repedéshálózat felskálázása. E célból a fraktál geometriai alapú DFN (discrete fracture network) elven működő szoftveres megoldás (M Tóth et al (6)) – a sztochasztikus megközelítés miatt – tetszőleges számú azonosan valószínű realizációt eredményez. Ezek Monte Carlo típusú értékelése választ ad a töréshálózat kommunikáló részrendszereinek méreteloszlására, egymáshoz való térbeli viszonyukra. A CT vizsgálatok adataival összevetésben az egyes törés típusok effektív nyitottság adatai és a szimulált 3D töréshálózat alapján tároló méretben becsülhetők a repedezett kőzettest olyan fontos hidraulikai alapparaméterei, mint a porozitás, a belső permeabilitás tenzor, vagy a reprezentatív elemi térfogat (REV) nagysága. ( M Tóth , Vass et al (7)) A töréshálózat modellezés eredményeként előálló perkoláció modell biztosítja azt a kőzetfizikai tartalmat, mely a kőzettani és tektonikai információk kiterjesztése során keletkezett kőzetváz modellel történő egyesítés során az attribútum modellt eredményezi. Ez a külön megoldandó numerikus probléma lényegében a cella-csúcsonként vagy cellaközéppontonként adott – elvileg REV-méretű – „attribútumok” laterális kiterjesztésének olyan átdolgozását jelenti, amely a Bool és SGS-szimulációban kiterjesztett kőzettest részletekhez igazodik. A megoldandó feladat itt a nem feltétlenül REV méretű vastagságok és a REV méretre adott attribútumok numerikus összehangolása, melynek megoldásaként a geostatisztika térfogat-variancia kapcsolatai alapján történő up-scalinget látjuk. (M Tóth et al (6-7))
A kőzetösszetétel vizsgálatok a CT vizsgálatokhoz kapcsolódó értékelések egyik legproblematikusabb része. Ennek az az oka, hogy a kőzetalkotó ásványok mérete általában a CT mérés felbontása alatt van, így egy adott mérési voxel több ásványszemcsét és a köztük lévő folyadékkal vagy gázzal kitöltött térfogatot is tartalmazza. Az adott voxelre kapott H.U. érték ezek súlyozott átlaga. Ez az úgynevezett parciális volumen effektus a kőzetek esetén. A másik hatás pedig az úgynevezett tömeghatás ami a nagyméretű – a voxel méretét jelentősen meghaladó- méretű ásványszemcsék térfogatán kapott H.U. eloszlásából adódik. Ezenkívül jelentősen befolyásolhatja a H.U. eloszlásokból készített kőzetösszetétel térképezést a fémtartalmú ásványszemcsék (pl: pirit) eloszlása amely a valós térfogatszázalékuknál általában nagyobb súlyú sűrűség eltolódást eredményez az eloszlásokban. Ásványos összetétel vizsgálatokat ezért csak a durvakristályos (pl: gránitok egyes típusai) kőzeteken ill. viszonylag stabil összetételű üledékes kőzeteken (karbonátos vagy nem karbonátos agyagos-aleuritos-homokos sorozatok, üledékes kőzetei) vagy alacsony számú ásványi komponenst tartalmazó kőzeteken-zárványokon (Hidas K , Szabó Cs, Földes et al (8)) lehet általában megbízhatóan elvégezni a kiegészítő felszívásos – porozitás kalibrációs vizsgálatokkal eredményeinek figyelembevételével. Ezen számítások a H.U. 3D kummulativ eloszlások alapján készíthetők el ahol az egyes cut-off intervallum határok kijelölik a komponensek térfogat százalékát. (8.sz. ábra)
10
Litológiai összetevők számítása CT adatokból Mako 6 Core # 3 Depth
3D CT image
5052.5 - 5053.5 m Porosity % Density CT Lithology Log (Shale,Ale,Sand (%)) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
5052.5
2.67 2.69 2.71
0
25
50
75
100
3480
100
3440
80 Térfogat (%)
CT sűrűség (H.U.)
5052.6
3400 3360 Dolomit CTsűrűség átlag (H.U.)
3320
5052.8
40 20
3280
5052.9
0
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
5053.0
Kummulatív gyakoriság 3000-4000 H.U. között 20 H.U. értékenként
Kummulatív gyakoriság (%)
60
5052.7
5053.1
5053.2
5053.3
5053.4
0
100
200 Hossz (mm)
300
400 5053.5
22
8.sz. ábra
A kőzetfizikai karakterizáció a CT vizsgálatok értékelésének legértékesebb fejezete. A vizsgálatok célja általában a kőzet hidrodinamikai működésének és kőzetfizikai heterogenításának térképezése a minta teljes térfogatában. A legfontosabb és jelenleg egyedül a CT mérésből meghatározható paraméterek, számítások a mintatestet érintő mérési (H.U.) adatvoxelek térfogatában azaz a mintán belül 3D eloszlásban: effektív (a feltöltő folyadékra vonatkozó) porozitás, effektív térfogat %, felszívási profil (telítettség változás eloszlása a feltöltés alatt), telítettség % ill telítettség eloszlás több fázis esetén., fázis térképezés az időben, relatív permeabilitás értékelés ( a kiszorító berendezés által szolgáltatott adatok kalibrációja mellett)
11
A legbonyolultabb vizsgálatok a több fázisú a rezervoár rétegnyomásán és hőmérsékletén végrehajtott különböző kiszorításos vizsgálatok melyeknek egyik példája a kimerült olajtelepek rétegVíztelítettség adatok eloszlásának vízuális és nume rikus alakulása az áramlás során serkentését (azaz a különböző felületek mentén a különböző kőzetmintákban maradék kőolaj kihozatalát –EOR) segítő különböző serkentő anyagok tesztelését szolgáló kísérletek. Egy ilyen méréssorozat modellezési ábráját mutatta be az 5.sz. ábra.
26
A1 A1 minta
saturation Mérési szeletenkénti víztelítettség átlag
32
Sample 1
30 28 26 24 22 20
time
18 16 14 12 10 8
idő
_____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____
Mérési szeletenkénti víztelítettség átlag saturation
34
A2
24
Sample 2
22 ____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _
20
18
16
14
idő time
12
10
6
A2 minta
8
6 5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
5
Hossz (szelet x 1.25 mm)
10
____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _____ _
Mérési szeletenkénti víztelítettség átlag saturation
15
20
25
30
20
18
16
idő
time 12
10
A10
8
Sample 3 A10 minta
6
4 10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
40
45
50
55
Az A10 minta víztelítettség Sw Sample 3 felületen időbeli eloszlása egy sík
14
5
35
Hossz (szelet slicex 1.25 mm)
slice
22
60
65
70
75
80
Hossz (szelet x 1.25 mm)
slice
9.sz. ábra ábra 1.sz.
vetően befolyásolja. (9.sz. ábra)
12
60
65
70
75
80
A mérés és értékelés során a kezdeti vízfeltöltés folyamata általában jól tanulmányozható volt. Jól megfigyelhető a heterogén mintákban a vízujjak kialakulása a nagyobb porozitású laminákban ill. egyes mintákban a kialakult alacsony permeabilitású gátak és ezzel a telítettség növekedése ill. időbeli visszaesése ezek környezetében. A mellékelt ábrák jól szemléltetik, hogy a vízfront alakulást a minták belső kőzetfizikai heterogenitása alap-
A méréssorozat végén a kihozatal azaz az olajtelítettség változása-csökkenése térképezhető a különböző 3D felületeken és számítható a mérési szeletek mentén ezek átlaga valamint a különböző minták porozitás tartományaihoz kapcsolódó telítettség. Ez utóbbi jól mutatja, hogy a CT mérésekhez érdemes heterogén mintát választani, hogy így többet megtudhassunk a rezervoárunk működéséről és a különböző kőzetfizikai paraméterek kapcsolatáról. (10.sz. ábra)
Néhány számítási eredmény a kiszorítási CT mérés adatai alapján A minta 2 sz. felületén számított olajtelítettség térképe a maradékolaj kíszorítás előtt és után CT mérési szelet kép
2 Olajtelítettség % 10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Olaj telítettség %
0
Kiszorítás után Kiszorítás előtt
Mérési szelet (x 1.25 mm) Az egyes mérési szeletekhez tartozó porozitás és maradék olejtelítettség átlagok kapcsolata a különböző mintákban
10.sz. ábr a
13
A CT mérések felhasználása a fúrásos nyersanyagkutatáson belül a fúrómagok vizsgálatában folyamatosan fejlődik. Más laboratóriumi anyagvizsgálati és fúrási információs mérési módszerekkel való kapcsolatát valamint a technológiai sorrend folyamat ábráját a 11.sz. ábra mutatja. Az alap CT mérés alkalmazásának nincs alternatívája a teljes fúrómag mintaanyag digitális 3D archiválás, a kőzetfizikai (sűrűség) heterogenitás és így a laboratóriumi anyagvizsgálatok számára kijelölt minták helyének és számának meghatározása tekintetében. A lyukkörnyezet modellezését elősegítő módszerek összehasonlítása összehasonlítása RétegRétegvizsgálatok Lyukfal térképezõ módszerek
Magmérések
Méret: Mikron (x100) CT, CT,
Mag TG szkenner
cm
„Hagyományos” lyukgeofizika
m (0.5(0.5-1m) 1010-100 m
Anyagvizsgálatok (kõzetfizika stb.)
Ct kalibrálás Mérés Fájl műveletek
Statisztikai értékelés
Térképezés és kép értelmezés Minta kiválasztás
Magvizsgálatok
Feltöltéses Feltöltéses és áramlásos CTvizsgálat vizsgálatok Korreláció a kőzetfizikai adatokkal Fúrási adatok a
Kvantitatív analízis petrofizikai értelmezéssel
3D modellezés
11.sz. ábra
14
3D lyukkörnyezeti modellezés
A mérés alkalmazásával a teljes térfogatú maganyagra (nem csak annak kijelölt mintáira) különböző számítások végezhetők el (6.sz. ábra). A 12.sz. ábrán több, különböző de ugyanazon telepből vett- mintegy 18-18 m-es maganyagon végzett effektív térfogat és vágási porozitás meghatározási eredmények összehasonlítása látható. Effektivitási és porozitási adatok eloszlásának összehasonlítása a teljes magté rfogaton POR 0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0.24
0.28
0.32
0.36
0.4
0.01
0.07
0.02
0.06
0.03
0.05
0.04
GT2 GT 4 GT 19 GT 32
0.04
0.05
0.03
0.06
0.02
0.07
0.01
0.08
0 0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0.24
0.28
0.32
0.36
0.4
POR 100 95 90
15.2 % (GT19)
85 80
20.5 % (GT19)
75
25.1 % (GT4)
70 65
35 % (GT32)
60 55 50
17 -18 % vágási porozitás
45 14
15
16
17
18
19
20
Vágási porozitás 12.sz. ábra
15
21
22
23
24
Relatív gyakoriság
0.08
Effektív %
Relatív Gyakoriság
0
A teljes maganyagon kapott különböző eredmények a lyukfaltérképező geofizikai mérésekkel (DIPLOG, CBIL, FMI, BHTV stb) elvégzett korrelációs számítások elvégzése után lehetőséget teremtenek a különböző geostatisztikai modellezésekkel a kútkörnyezet leírására: a repedés rendszer paramétereinek vonatkozásában (M Tóth et al,(5,6 és7) a szedimentológiai értékelésben (Geiger et al (9)). a szerkezeti adatok és a horizontális anizotrópia vonatkozásában (Földes et al (3 és10)) valamint a geotermális hidrodinamikai szimulációs modellezés (Viszkok et al (11)) vonatkozásában.
Köszönetnyilvánítás Ezúton köszönöm meg azt a sok segítséget támogatást és tanácsot amit a MOL Nyrt és a Kaposvári Egyetem Diagnosztikai Intézetének vezetőitől - kollégáimtól - barátaimtól kaptam. Köszönöm a MOL NyRt-nek volt munkahelyemnek a Kaposvári Egyetem Diagnosztikai Intézetében végrehajtott fejlesztések támogatását. A munkához az EEA és Norvég Finanszírozási Mechanizmus támogatása is hozzájárult. A cikkhez felhasznált publikációk jegyzéke : (1) T.Földes , B. Kiss , G. Árgyelán , P. Bogner , I. Repa Application of medical computer tomograph measurements in 3D reservoir characterization EAGE SAID Conference , Paris , France Conference Volume November 2000. (2) Bogner Péter , Földes Tamás, Závoda Ferenc, Repa Imre :A CT és MR vizsgálatok lehetőségei a szénhidrogénkutatásban , Magyar Radiológia 2003. októberi száma , 231237.oldal (3) T.Földes , B. Kiss , G. Árgyelán , P. Bogner , I. Repa, Kinga Hips Application of medical computer tomograph measurements in 3D reservoir characterization Acta Geologica Hungarica, Vol.47/1,pp-63-73 2004. (4) Kalocsai P, Földes T, Puskás S Application of X-ray CT for investigating fluid flow during chemical EOR methods OMBKE XXVII. Conference 2008 Siófok Hungary Conference Volume (5) M-Tóth T, Vásárhelyi B, Ván P, Földes T, Kiss B Repedezett tároló modellezés, a kőzetmechanikai modell kísérletek és a szeizmikus attribútum alapú modellek korrelációja IIII. MOL NYRT Kutatás fejlesztési jelentés 2008- 2010. (6) M. Tóth, T., Vass, I., Schubert, F. (2006): Repedéshálózat szimuláció és paleofluidum rekonstrukció szerepe kommunikáló törésrendszerek vizsgálatában. In: Török, Á., Vásárhelyi, B. eds.: Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2006, 163-184.
(7) Vass, I., M. Tóth, T. (2007): A Reprezentatív Elemi Térfogat (REV) meghatározása sztochasztikusan generált repedéshálózatok vizsgálatával. In: Török, Á., Vásárhelyi, B. eds.: Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2007, Műegyetemi kiadó, 53-62.
16
(8) Hidas K, Falus G., Szabó Cs., Szabó, P.J., Kovács, I. & Földes, T. (2007) Geodynamic implications of flattened tabular equigranular textured peridotites from the Bakony-Balaton Highland Volcanic Field (Western Hungary). Journal of Geodynamics, 43, 483-503. (9) Janos Geiger, Zoltan Hunyadfalvi, Peter Bogner (2008): Analysis of small-scale heterogeneity in clastic rocks by using computerized X-ray omography (CT) --Engineering Geology. vol103. 3-4. pp.112-118. (10) T. Földes, New interpretation methods of Diplog for recognition the internal structure of the reservoir , OMBKE conference , 1993, Tihany , Hungary Conference Volume (11) János Viszkok, Tamás Földes, Tivadar M. Tóth, Éva Kun, István Gyenese (2010) Elaboration of Multi-Scale Fluid Flow Modeling System in Fractured Rocks for Exploitation of Geothermal Energy. Oral and poster presentation. Proceedings World Geothermal Congress 2010 Bali, Indonesia, 25-29 April 2010
17
